林新党(海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京210003)



基于目标RCS垂直分布的雷达门限计算方法

林新党
(海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京210003)

摘要:对雷达探测距离的准确预测计算对于合理把握雷达开机时机、提高雷达生存能力有重要的意义。在蒸发波导条件下，把海上舰船目标当作点目标处理，可能会导致计算所得雷达对小目标探测距离大于对大目标探测距离。文章首先分析了产生此异常计算结果的原因，随后在此基础上提出了基于RCS垂直分布的雷达门限计算方法。该方法能保证计算所得雷达对小目标探测距离小于对大目标探测距离，且适用于任何RCS垂直分布情况。

关键词:蒸发波导; RCS垂直分布;雷达门限

0　引言

蒸发波导是海面上出现概率非常高的一种大气波导形式［1］，是由海面水汽随高度上升锐减造成的。雷达在蒸发波导条件下可能会出现超视距探测现象，对雷达探测距离的准确预测计算、合理把握雷达的开机时机、提高雷达的生存能力有重要的意义。文献［1-2］等对蒸发波导条件下雷达探测距离计算方法进行了介绍，思路如下:先由气温、气压、湿度、风速和海表温度等气象参数，经蒸发波导模型计算得到蒸发波导高度和折射率剖面，随后根据折射率剖面和雷达参数经电磁波传播衰减计算模型得到传播衰减，最后将传播衰减与由雷达方程和目标特性计算出来的雷达门限比较，从而得到雷达探测距离。其中，文献［3-4］等对蒸发波导模型进行了详细介绍，文献［5-6］等对电磁波传播模型进行了详细介绍。雷达门限是上述雷达探测距离计算方法的一个关键环节，如果把海上舰船目标当作某高度上的点目标来处理，有可能导致计算所得雷达对小目标探测距离大于对大目标探测距离，不符合实际探测情况。文章首先分析产生该异常计算结果的原因，然后提出基于目标RCS垂直分布的雷达门限计算方法。

1　雷达探测距离计算结果异常的原因分析

在蒸发波导条件下，雷达波在同一距离处的传播衰减随高度的分布是不均匀的，图3是某雷达波在80 km距离处不同高度的传播衰减曲线，其中5 m高度传播衰减明显小于12 m高度处传播衰减，两者的差值超过25 dB。

图1　某雷达波在80 km处传播损耗曲线

雷达接收到一定距离处目标的回波信号强度S为

其中

式中，Pt为雷达发射功率(dB)，G为天线增益(dB)，Ls为系统损耗(dB)，Lp为单程传播衰减(dB)，σ为目标RCS(m2)，λ为雷达波长(m)。当雷达参数确定时，Pt、G、Ls、λ都是定值，此时用S0将这几项分离出来，S0也为定值。

由于单程传播衰减Lp在高度上分布不均匀，RCS在高度上的分布特征必然会影响接收信号的强度。当把舰船目标看作某高度上的点目标时，图2给出了不同高度的大、小点目标对应的回波信号强度。令σi= 10lg(σj)，σi单位为dB;σj为目标RCS大小，单位为m2，其中，i、j =1、2;目标1的RCS为σ1(dB)，高度为d1(m);目标2的RCS为σ2(dB)，高度为d2(m)，且σ1＞σ2。

两目标的回波信号强度分别为

则两者回波信号强度之差为

其中Lp(d1)、Lp(d2)分别为高度d1和d2处的传播衰减。当σ1－σ2＜2［Lp(d1)－Lp(d2)］时，S(d1)＜S(d2)，即在相同距离处小目标的回波信号强度明显强于大目标回波信号强度。在这种情况下，计算所得到的雷达对小目标探测距离大于对大目标探测距离。

2　基于目标RCS垂直分布的雷达门限计算方法

2.1目标RCS分布模型

计算所得雷达对小目标探测距离大于大目标探测距离的根本原因在于电磁波在高度上的分布是不均匀的，而雷达对舰船目标的探测应该是各高度处探测效果之和。因此，在计算雷达对舰船目标探测距离时应考虑目标RCS随高度的分布。

假设目标RCS在高度上均匀分布，即目标RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如图3所示。

图3　目标RCS在高度上均匀分布

RCS均匀分布情况相当于大、小目标的强散射点的高度完全相同，且始终位于传播衰减最小的高度位置。此时，大、小目标的回波接收信号强度分别为

此时

这就完全克服了小目标回波信号强度大于大目标的问题。此时，计算得到的雷达对小目标探测距离也小于对大目标探测距离。

2.2雷达门限计算方法

雷达方程可以表示为

其中

考虑到目标RCS分布的影响，雷达对舰船目标的检测是各高度处检测效果之和，对雷达方程进行如下修正:其中，σ(h)为高度h处RCS，L(h)为高度h处雷达波传播损耗，w(h)为h高度RCS占总RCS的比值，包括RCS随高度均匀分布和非均匀分布情况。

当Pr≥Smin时，雷达能检测到目标。转化为dB形式:

令

其中，LT为雷达门限，L(R)可以理解为在距离处R的总的雷达波传播衰减。当L(R)≤LT时雷达能检测到目标。

3　仿真分析

仿真试验进行了3种假设:(1)假设RCS在高度剖面上为均匀分布:目标RCS在高度上分N段，RCS值平均分布在每一段上，如图3所示;(2)假设RCS在高度剖面上为对称分布(非均匀分布):目标RCS在高度上分N段，中间段代表舰船的强散射高度，占RCS值的比例最高，其他段依次递减，如图4所示;(3)根据已知典型目标的RCS在垂直剖面上的非对称分布，目标RCS在高度上分N段，根据测量值确定各段RCS值占的比例，如图5所示。

图4　RCS高度对称分布模型

图5　RCS高度非对称分布模型

试验采用Monte Calo方法。假定舰船总RCS为10000，对3种类型RCS分布的舰船进行检测，统计发现概率为50%时雷达的探测距离作为雷达威力预报值，与基于简单RCS模型的雷达威力预报值进行比较，得到如表4所示结论。

表4　威力预报准确度试验结果

4　结束语

在蒸发波导条件下，雷达波传播衰减在同一距离处随高度的分布是不均匀的，把海上舰船目标当作某高度上的点目标处理，可能会导致计算所得雷达对小

目标探测距离大于对大目标探测距离，这与实际探测情况不符。文章分析了产生此现象的原因，并提出了基于RCS垂直分布的雷达门限计算方法。采用该方法能够保证计算所得雷达对小目标探测距离小于对大目标探测距离。文章提出的雷达门限计算方法适用于任何RCS垂直分布情况，掌握目标RCS的垂直分布有助于准确预测雷达对舰船目标的探测距离。

参考文献:

［1］察豪.蒸发波导条件下雷达探测距离的估计方法［J］.现代雷达，2006，28(9):5-7.

［2］黄小毛.蒸发波导环境下雷达超视距性能评估方法［J］.电子科技大学学报，2007，36(1): 36-39.

［3］Babin S.A new model of the oceanic evaporation duct［J］.Applied Meteorology，1997，36:193-204.

［4］Paulus R A.Practical application of an evaporation duct model［J］.Radio Science，1985，20(4): 887-896.

［5］Levy M.Parabolic equation methods for electromagnetic wave propagation［M］.London : IEE Press，2000:10-94.

［6］王红光.大气波导传播的抛物方程模型研究综述［J］.装备环境工程，2008，5(1):11-15.

A method of computing radar threshold based on vertical distribution of RCS

LIN Xin-dang
(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing，Nanjing 210003)

Abstract:Accurate prediction and computation of radar detection range have a significant impact on reasonably grasping the startup time and improving the survivability of radar.If the ships at sea are regarded as point targets，the radar detection range for small targets is probably more than that for big targets under the condition of evaporation duct.The cause that results in such an abnormal result is analyzed，on the basis of which a method of computing the radar threshold is presented based on the vertical distribution of the RCS.This method can ensure that the radar detection range for small targets is less than that for big targets and it is applicable to any vertical distribution conditions of the RCS.

Keywords:evaporation duct; vertical distribution of RCS; radar threshold

作者简介:林新党(1970-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:雷达总体技术。

收稿日期:2014-12-23

文章编号:1009－0401(2015)01－0018－03

文献标志码:A

中图分类号:TN011